디젤 자동차는 전체 차량대수에 비하여 대기오염물질의 배출량이 상대적으로 커서 대도시 대기오염에서 차지하는 비중이 크므로 국제적으로 대기오염물질의 배출에 대한 법규제를 강화하는 추세에 있다. 자동차용 디젤엔진에서 배출되는 대기오염물질 중 특히 문제시되는 것은 NOx와 연료의 불완전연소에 의하여 발 생되는 PM이다. 디젤 자동차뿐만 아니라 1997년 9월에는 국제해사기구(IMO)에 서 선박으로부터의 대기오염물질의 배출을 금지하는 “선박으로부터의 대기오염 방지협약”을 채택하였다. 이 협약에 따르면, 2000년 1월 이후에 건조되는 모든 선박의 디젤 엔진은 의무적으로 질소산화물 배출규제치를 준수하도록 되어 있다.
우리나라의 경우 대도시에서 자동차로부터 발생되는 대기오염물질이 전체 대 기오염물질의 80% 이상을 차지하며 전체 자동차 1,110만대 중 29%인 324만대에 달하는 디젤자동차가 자동차 오염물질 배출량의 64%를 배출하고 있어 환경부는 2000년 4월, 2002년 7월부터 적용할 디젤 자동차의 배출허용기준을 EURO3 수준 으로 강화하는 내용을 포함하는 대기환경보전법시행규칙개정안을 발표하였다[1].
이 안에 따르면 자동차의 종류는 <표 1-1>과 같이 구분되었으며 각 자동차 종 류에 따른 대기오염물질 배출기준은 <표 1-2>와 같다.
유럽의 경우 2005년부터 EURO4 기준을 특히 2008년부터는 중량 디젤 자동차 (Heavy Duty Vehicle)에 대하여 더욱 강화된 EURO5 기준을 적용할 계획이다.
미국의 경우도 2007년부터 적용되는 기준은 유럽에 비하여 더욱 엄격하여지는 실정이다. <표 1-2>과 <표 1-3>, [그림 1-1]는 유럽, 미국, 한국의 디젤 소형 화 물차 및 디젤 대형 화물차의 배출기준 변화를 비교하여 보여준다.
<표 1-2>과 <표 1-3>, [그림 1-1]에 따르면 국내 배출기준도 유럽 및 미국 배 출기준에 따라 급격히 엄격하여 질 것이 예상되며, 국내 자동차 산업의 국내외 시장에서의 경쟁력 확보를 위해서는 따라서 최소한 EURO5 기준에 대응할 수 있는 저감기술의 개발이 시급히 시작되어야 할 것으로 판단된다.
<표 1-1> 2006년 1월 1일 이후 적용되는 자동차 종류(대기환경보전법시행규칙
<표 1-2> 디젤 소형화물자동차 배출가스 허용기준
Country Application year
Emission toleration standard
(g/km) Test method
CO THC NOx PM
Emission standard (g/kwh)
Test
[그림 1-1] 디젤 소형 화물차 기준변화 및 대응기술
현재까지 전세계적으로 개발이 완료되어 상용으로 보급되고 있는 디젤엔진 대 기오염물질 저감기술로는 전자식 연료분사기술과 EGR(Exit Gas Recirculation) 이 있으나 이 기술들만으로는 급격히 강화되고 있는 배출기준을 맞출 수가 없는 형편이다. 따라서 전세계적으로 DPF, SCR, 탈질흡장촉매 기술과 같은 후처리기 술의 개발을 위한 많은 연구가 수행되어 왔으나 아직까지 완전히 상용화되어 있 지 않으며, 대부분 기술의 경우 최적 운전조건에서는 80-90%의 상당히 높은 오 염물질 제거효율을 보이나 최적 운전조건 이외에서는 성능이 상당히 떨어져 전 반적인 오염물질 제거효율은 그다지 만족스럽지 않다고 볼 수 있다. 현재 전세계 적으로 급격히 강화되고 있는 디젤엔진 오염물질 배출기준에 대응하기 위해서는, 어느 한가지 저감기술의 독자적 적용만으로는 어려움이 있으며 전처리기술과 후 처리기술을 서로 보완하여 사용하는 것이 현실적으로 유일한 해결책이라 볼 수 있다. 이와 같은 국내외의 디젤엔진 대기오염물질 배출저장 기술 개발현황과 관 련하여, 본 연구에서는 자동차 또는 선박용 디젤엔진을 대상으로 하는 청정연소
기술로써 디젤연료를 부분산화시켜 수소농후 가스 (H2/CO/HC/N2 혼합물)를 생 산하는 저온 플라즈마 연료개질 장치와 개발된 저온 플라즈마 연료개질 장치와 디젤엔진과의 연계기술들을 개발하여 매연과 NOx의 발생을 동시에 85% 이상 저감하고자 하였다.
[그림 1-2]은 본 연구에서 실험한 연료 개질 시스템의 개념을 보여준다. 디젤엔 진에서 연소될 연료의 일부가 저온 플라즈마 연료개질 장치로 공급되어 부분산 화반응에 의하여 수소농후 개질가스 (H2/CO/HC/N2 혼합물)이 생성되고 이 개질 가스의 일부는 디젤엔진으로 공급되어 엔진으로 유입되는 연소용 디젤의 완전연 소를 일으키고 연소실 내부의 Peak Temperature를 낮춰 매연과 NOx를 저감시 키며, 이 개질가스의 일부는 디젤엔진 후단에 설치된 탈질흡장촉매 반응장치의 재생에 사용된다.
[그림 1-2] 연료 개질 시스템 개념도